談論高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究

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摘要：筆者長期從事高層建筑設(shè)計的研究工作，2013年有參加金田花園三期、華南摩爾改造工程、云浮港機、合肥世紀榮廷小區(qū)等等項目，旨在與同行探究學習共同進步。

關(guān)鍵詞：建筑體系；應用；發(fā)展

高層建筑經(jīng)常以建筑的高度和層數(shù)兩個指標來判定，但世界范圍內(nèi)現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的劃分標準。高層建筑是隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活的需要而發(fā)展起來的。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展

組合結(jié)構(gòu)的高層建筑發(fā)展迅速。采用組合結(jié)構(gòu)可建造比混凝土結(jié)構(gòu)更高的建筑，不但具有優(yōu)異的靜、動力工作性能，而且能大節(jié)約鋼材、降低工程造價和加快施工進度。在不同的情況下，可以取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，科技含量也較高，對環(huán)境污染也較少，己廣泛應用于冶金、造船、電力、交通等部門的建筑中，并以迅猛的勢頭進入了橋梁工程和高層與超高層建筑中，隨著混凝土強度的提高以及構(gòu)造和施工技術(shù)上的改進，組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應用可望進一步擴大。

2.新型結(jié)構(gòu)形式的應用不斷增加

框架體系、剪力墻體系和框架一剪力墻（支撐）體系是高層建筑的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)筒體的不同組成方式，可分為框筒體系、筒中筒體系和多束筒體系這3種類型。筒體最主要的受力特點是它的空間受力性能。無論哪一種筒體，在水平力作用下都可以看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸臂構(gòu)件，所以，該種體系廣泛應用于多功能、多用途、層數(shù)較多的商層建筑中。

鋼筋混凝土材料重新得到重視

與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有整體性好、剛度大、位移小、舒適度佳、耐腐蝕、耐高溫、耐火、維護方便等優(yōu)點。因此，即使是在美、日等鋼鐵工業(yè)發(fā)達的國家，鋼筋混凝土造價還是低于鋼結(jié)構(gòu)。

智能建筑的發(fā)展異軍突起

現(xiàn)代建筑技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合促成了智能建筑的產(chǎn)生，在高層建筑中有更廣闊的應用前景。智能建筑是裝備、服務、經(jīng)營以及建筑這四要素相互聯(lián)系、全面綜合以及各自優(yōu)化并達到最佳組合，以獲得高功能與高效率的建筑物。智能建筑是通過對建筑物的4個基本要素，即服務、管理、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)等等。智能建筑的構(gòu)成至少必須具備三大系統(tǒng)：辦公自動化、動化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及系統(tǒng)設(shè)備管理等等。并且應用現(xiàn)代4 C技術(shù)構(gòu)成智能建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代化的服務與管理方式給人們提供一個安全、舒適的生活、學習與工作環(huán)境空間。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計體系

剪力墻結(jié)構(gòu) 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，指的是使用平面剪力墻作為建筑主體的受力結(jié)構(gòu)。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，水平作用力與荷載都作用于單片剪力墻，而結(jié)構(gòu)設(shè)計依靠剛性的結(jié)構(gòu)，使建筑保持更高的剛度與強度，而位移的曲線則出現(xiàn)變曲的形態(tài)。在高層建筑中，剪力墻有很多優(yōu)勢，特別適用于超出框架的高度時，是性能良好且具有穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系。

筒體結(jié)構(gòu) 筒體結(jié)構(gòu)是把筒體當作抗側(cè)力的構(gòu)件。一般的高層建筑物使用的筒體受力構(gòu)件可以分成空腹筒和實腹筒兩類。筒體結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于：筒體結(jié)構(gòu)具有較大的強度和剛度，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)各個構(gòu)件受力比較均勻，具有更好的抗震性能與抗風性能。筒體結(jié)構(gòu)對空間和跨度大的高層建筑，可以發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。

框架結(jié)構(gòu) 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般使用框架結(jié)構(gòu)時，要利用柱體和梁架及基礎(chǔ)組成平面的框架，將平面框架作為建筑主要的承重結(jié)構(gòu)，并且利用梁連接來實現(xiàn)平面框架組合的整體空間的結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：可以靈活的進行建筑平面的布置，對空間容積大的餐廳與會議室等可以更好的設(shè)置。

框架與剪力墻 通過水平荷載作用，將剛度強的樓板與連梁與剪力墻和框架結(jié)構(gòu)共同組合成整體的結(jié)構(gòu)，一同進行水平力的承擔。而應用了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑，還是要靠剪力墻承擔水平剪力的作用，垂直荷載力由框架結(jié)構(gòu)進行承擔，而位移的曲線會出現(xiàn)彎剪的形態(tài)?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于：由于增加了剪力墻，可能使整個建筑的結(jié)構(gòu)體系剛度增強，而建筑位移值有效降低，同時，還能使原本框結(jié)構(gòu)承擔的水平剪力朝著豎向的方向進行受力的分散?？梢姡蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系較框架體系具有更好的適用性。

4.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的缺陷

豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應不是線性增加的，然而隨著建筑高度的增高而增大。在現(xiàn)代高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而是更重要的是整體抗彎和抵抗變形?？梢姮F(xiàn)代建筑的高層結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異，存在扭轉(zhuǎn)、水平側(cè)向位移以及剪重比等問題。相比于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計基本原理都是相同的，但是隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計的控制因素。其原因有兩個：一、側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多；二、較大的垂直荷載要求有較大的柱以及墻或者井筒。

5.設(shè)計中存在的問題

優(yōu)化的目標還不能完全符合工程的需要。由于實際結(jié)構(gòu)問題往往十分復雜，存在設(shè)計變量多、約束條件多、受建筑功能限制較大等難點多種因素甚至不確定性因素使得目標函數(shù)在建立后只能得到相對最優(yōu)解。然而現(xiàn)在尚沒有實用的高層建筑優(yōu)化分析軟件而是使用現(xiàn)有的各種計算機分析軟件進行截面優(yōu)化，并不是簡單的幾次嘗試就能達到效果的。所以，無論是機時還是設(shè)計進度，都較難允許實施這種優(yōu)化方。多高層建筑設(shè)計項目，結(jié)構(gòu)方案和布置還是比較合理的，其構(gòu)件截面也是同類型結(jié)構(gòu)中常用的尺寸，但是計算分析后還存在某些薄弱環(huán)節(jié)，為了改善這種受力狀況，增大構(gòu)件截面卻未能得到明顯改善，反而增加了材料耗量。只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，即在給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀、拓撲和材料的情況下，求出滿足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面，而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。

離散變量優(yōu)化問題 建筑物尺寸以及型鋼規(guī)格型號等都不是連續(xù)變化的。所以傳統(tǒng)的優(yōu)化方法：例如各種對偶算法和梯度算法等解析算法均無法勝任而且?；趩栴}的規(guī)模較大，隨之帶來的計算量急劇增加的“組合爆炸”問題也會使計算量急劇增加。

6.工程優(yōu)化設(shè)計理論的發(fā)展

工程設(shè)計軟科學的發(fā)展 在工程設(shè)計中，更重要的是必須進行很多運籌、決策和規(guī)劃的工作，因此工程設(shè)計可能是硬科學和軟科學的結(jié)合，這就需要建立全面的、嶄新的工程設(shè)計理論。在土建工程設(shè)計的前期，有許多重大的問題需要進行科學的決策，包括工程項目的可行性論證、工程項目的總體規(guī)劃及結(jié)構(gòu)的造型、結(jié)構(gòu)設(shè)防水平以及功能優(yōu)化的決策等.所有這些前期的決策工作，其影響都必須遠大于目前的以結(jié)構(gòu)計算為主的優(yōu)化設(shè)計工作。

工程項目功能優(yōu)化的發(fā)展 在經(jīng)過可行性論證決定了工程項目的任務、規(guī)模以及建設(shè)地點、建設(shè)分期等重大問題之后，就需要重新考慮工程建設(shè)的總體布局及規(guī)劃，這也是一個重大的決策，直接影響工程的社會和經(jīng)濟效益、運行的功能以及對環(huán)境的美學效應。在優(yōu)化整個工程項目的功能時，可以利用價值工程的某些概念和手段來改善現(xiàn)有的方法。

工程項目全壽命優(yōu)化的發(fā)展 以往的優(yōu)化設(shè)計理論針對的都是具體的結(jié)構(gòu)，但是在工程實際中，一般都是整個工程大系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題，其中由眾多系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)組成，具有變量種類多、約束藕合、多目標以及等高維數(shù)等復雜難點。

結(jié)語

綜上所述，隨著高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、計算施工技術(shù)以及分析水平等不斷提高，高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系也將多元化，追求更具合理性和創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)形式，也是結(jié)構(gòu)工程師們今后不斷努力的目標和方向。

參考文獻：

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